撰寫: 2023/8/26

發佈: 2024/1/10

1-4 3D設計

採用現有的玩偶加上控制電腦做出玩偶機器人，就需要先設計以確認所有所需的電路模組都能放入到玩偶內部，當然這部分設計主要還是以空間考量為主；但除了考量主配件空間外，還有配重、功能、配線與通風散熱問題，最後才是整體組裝；所以我們依序來思考這每一個環節。

主配件

首先先看目前要設計的玩偶機器人所有主配件如下：

• 玩偶
• Raspberry Pi Zero W
• 自行設計鋰電池充電電源供應板
• USB音效模組
• 放大器模組
• 喇叭
• 麥克風

先來思考最重要的玩偶的選擇，雖然在此已經採用相當小型化的Raspberry Pi Zero W，但還有電源供應板、USB音效模組、放大器模組、喇叭、麥克風等電路加再一起，所以玩偶也不適合選擇像吊飾等級這類過小的玩偶，一般手抱式的玩偶大小較適合；基本上需要先將玩偶拆開移除多餘的內填充物，再將組合好的電路放入，再進行縫合。如此一來一回的程序相當花費時間及裁縫技巧，另外當需要電路維修時又需要重新再進行一遍相當花費時間；基於這個考量，在此我們第一個玩偶就選擇本身已經在玩偶背部開過孔並裝有拉鍊有內部空間可以使用的玩偶，正巧小孩淘汰的兔兔筆盒玩偶就非常適合這種需求，因此在這範例就以此玩偶為例。

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在此可以看到兔兔筆盒玩偶設計上就是為了可放置文具，所以背部裝有拉鍊且有一定的內部空間可供我們放置我們所需的電路模組。

3D模型設計

為了確認所有所需的電路模組都能放入到玩偶內部，故在組裝配置先前採用3D模型設計軟體先行設計配置，以確認所占空間足夠；在此採用業界常用的3D模型設計軟體SolidWorks將所需的電路模組及玩偶建模。

• 玩偶建模

確認適合的玩偶後，就需要將此玩偶建立3D模型；一般玩偶屬於柔軟性不規格的物體，所以不容易建立3D模型，我們建立3D模型主要的目的是要確認配置空間是否適當，所以在建立玩偶3D模型會以相類似的幾何物體來建構。

當然在建構玩偶3D模型前，需要對選定的玩偶進行3D量測，以下就是我當初針對兔兔筆盒玩偶進行3D量測的草稿：

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有了以上的資料後，就可在SolidWorks將此兔兔筆盒玩偶進行建立3D模型，建立的模型如下：

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因為耳朵部分不會用到，所以在此只用扁橢圓形表示；之後會將這些模型檔案分享出來。

• Raspberry Pi Zero W建模
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• 自行設計鋰電池充電電源供應板建模
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• USB音效模組建模
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• 放大器模組建模
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• 喇叭建模
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  因為要增加它的共振音量，所以在喇叭後方加上瓶蓋，所以造型像是圓柱體。
• 麥克風模組建模
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之後會將這些模型檔案分享出來。

空間配置

就算有了個別主配件的3D模型，但在空間配置上如同一開始所提到的，還有考量配重、功能、配線與通風散熱問題，才能決定好相互配置組合的適合位置；所以我們依序來思考這每一個環節

• 配重

配重對於玩偶設計來說相當重要，因為這有兩方面問題需要思考的；第一整體重量不能過重讓使用者長期攜帶產生負擔；第二是重心的問題，坐姿是玩偶最常使用的姿勢，因應玩偶要能夠坐的穩，所以重心盡可能要低，所以在設計上就要將較重的電池模組放置下方。

首先我們來看整體重量的問題，目前各部分主配件重量如下：

總重小於200g相當於中大型玩偶的重量，對於1~5歲小孩來說，可以放置側邊不造成重量負擔；對於5~13歲小孩來說，這樣的重量也不會造成負擔。

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第二就要考慮重心的問題，坐姿是玩偶最常使用的姿勢，目前選擇的玩偶因為身體多為中空，所以整體重量頭重腳輕有2/3在頭部，要能夠坐的穩，必須重心盡可能要低，所以在設計上就將較重的自行設計鋰電池充電電源供應板含電池模組組合Raspberry Pi Zero W主板、USB音效模組放置身體中下方。

• 功能性配置

在此玩偶機器人重點先在語音接收與回應，所以麥克風朝前放置上方以利於接收前方及上方的聲音；至於喇叭，原則上應該要盡量與麥克風隔離以防止聲音回授，所以喇叭出音方向要設計與麥克風的收音方向盡可能180度相反；另外在這裡也需要將麥克風加上隔音泡棉或保麗龍，以限制麥克風收音方向。倘若效果不佳就還是需要利用軟體的方式來避免，之後我們在軟體的部分再來討論。

• 配線

配線設計是個大工程也是大學問，因為他必須遷就所有主物件相對位置後再決定走線；走線決定後雖然可以決定使用的線長，但是一般還要考慮預留長度及事後接線頭等因素，因為我們必需要考慮到後續拆裝維修的預留及連接的相對順序問題；在此考慮以下主要的三條線路配線：

1.USB cable：

USB cable要連接Raspberry Pi Zero W主板到USB音效模組的配線，為了減少所占空間，所以micro USB的接頭選用90度轉角的接頭，USB音效模組就在旁邊，因此選用micro USB轉USB type A (F)母接頭的USB cable，考慮cable還需反轉180度來接上USB音效模組公接頭，所以cable-長度約10~15cm左右。
USB cable配線規劃如下圖所示：
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2.Audio喇叭音訊線：

要接音訊線到喇叭放大器模組除了音訊線外，還需要電源；這部分我們在喇叭及麥克風模組有討論過，但要同時配電源線給兩模組則線路就變得複雜且凌亂，因此我們在此配線就需要考慮整合，在此設計採用音訊線與電源分開的方式走線給喇叭放大器模組；音訊線由USB音效模組audio out端子輸出到放大器模組2.54mm pins，所以採用自行焊接的3.5mm TRS接頭到2pins杜邦接頭線；電源採用同樣USB音效模組來提供，所以從USB音效模組取出5V直流電源來分給喇叭放大器模組，但拆開USB音效模組需要有一些方法，因為USB音效模組大多採用上下兩片塑膠殼緊密膠合，所以很難打開；在此採用半面上蓋”均勻施壓”的方式來拆開USB音效模組，可以如下圖將USB音效模組反面上蓋水平夾在虎夾台上，虎夾平面剛好在兩片塑膠殼緊密的接線切齊：

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虎夾慢慢施力就會使上蓋略為內縮，下蓋就會繃開就分離了如下圖：

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從USB音效模組接近USB端口處可以焊接接頭取出5V直流電源如下圖：

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取出5V直流電源採用杜邦接頭雙線接出。

3.Audio麥克風音訊線：

要接線到麥克風模組也同樣除了音訊線外，還需要電源；這部分如同前面喇叭放大模組有討論過的部分一樣，音訊線由麥克風模組audio out輸出到USB音效模組audio in端子，電源同樣採用USB音效模組來提供，但麥克風模組為了避免回授干擾問題，所以必須功能性配置遠離喇叭，要遷線放置到布玩偶的最頂端，因此在設計上配線為3.5mm TRS接頭轉2.54mm杜邦短線，以連接USB音效模組輸入microphone端口到前面USB音效模組取出5V直流電源附近；再將Audio麥克風音訊線與電源線整合成一組四線端子；布玩偶的最頂端麥克風模組與此四線端子以四心訊號線連接。

4. 音訊線與電源總成線路板

前面USB音效模組與麥克風模組都需要由USB音效模組取出5V直流電源，因此需要將USB音效模組取出的5V直流電源分流為兩組支線，一組支電源線給前面所提到的Audio喇叭音訊線，另一組支電源線提供給麥克風模組需要用到的一組四線端子。

但要同時從USB音效模組取出兩組電源5V直流電源線給兩模組則線路就變得複雜且凌亂，因此我們在此配線就考慮設計一個用來整合音訊線與電源總成線路板，在此可直接設計在鋰電池充電電源供應板剩餘的電路板上。

• 通風散熱

一般Raspberry Pi Zero W看似可以不用考慮通風散熱，但是鋰電池以及充電模組就需要考慮通風散熱；一來我們前面在電池模組哪一節有提到，第一，電流越大，充電就越快，但同時要注意的是電池發熱也會越大，我們就要注意過熱燃燒的危險；第二，如果你對滿電的電池繼續充電，接著再灌進來的能量就會變成熱。如前面所述，鋰離子電池的電解液很好燒，所以鋰電池絕對不能過度充電，會造成行動電源起火燃燒的危險；再加上我們現在將所有電路安放在容易蓄熱的填充玩偶，熱在內部本身就無法排放更容易蓄熱，所以通風散熱就變得非常重要。

為了考慮充電模組及鋰電池通風散熱，可以有兩個作法：

1.充電時打開玩偶背後拉鍊透氣散熱：也就是故意設計充電線及充電端口放在玩偶內部，需要充電的時候就一定要打開玩偶背後拉鍊取出充電線及充電端口，如此達到透氣散熱的目的。

2.充電時同時啟動散熱風扇：可以在充電線接到充電模組分流驅動5V DC風扇由下往上吹出熱風。

在此初期可以採用第一種作法，若第一種作法倘若散熱不足，才會將第二種作法加入。

3D模擬組合

所以根據配重與功能性配置原則，加上原來自行設計鋰電池充電電源供應板含電池模組組合Raspberry Pi Zero W主板、USB音效模組放置身體中下後方，放大器模組及喇叭放置下方，麥克風獨立牽線放置玩偶最頂端方便收音，並加上隔音泡棉。

最後根據上述的考量，內部所有電子模組組合如下圖：

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放入在兔兔筆盒玩偶後的整體3D圖如下：

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後記

本文為個人學習的經驗，後續有所改進將再發文分享；本人因工作因素發文後並不會經常檢視讀者問題，對於沒法及時回覆問題敬請見諒!

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